Akustyka w budownictwie - ebook

1 Warunki akustyczne w środowisku

1.1. Powstawanie i rozchodzenie się dźwięku w polu swobodnym

Rysunek 1.1. Komora bezechowa w laboratorium akustycznym ITB, wszystkie powierzchnie przegród ograniczających pomieszczenie są wyłożone klinami dźwiękochłonnymi

1.1.2.2. Ciśnienie akustyczne

Drgania akustyczne cząsteczek powietrza powodują cykliczne zagęszczanie i rozrzedzanie ośrodka, przez co wywołują chwilowe różnice między ciśnieniem istniejącym w danym punkcie w chwili przejścia fali akustycznej a statycznym ciśnieniem atmosferycznym. Różnice te nazywamy ciśnieniem akustycznym. Zmiany ciśnienia akustycznego są bodźcem fizycznym wywołującym wrażenia dźwiękowe. Zakres zmian ciśnienia akustycznego, rejestrowanych przez narząd słuchu, jest bardzo rozległy, zawiera się w granicach od p = 20 µPa do 200 000 000 µPa (20 · 10⁷µPa). Z oddziaływaniem tym wiążą się różne odczucia, od ledwie wyczuwalnych dźwięków, leżących na granicy progu słyszenia, aż do fizycznego bólu.

Ze względu na bardzo dużą rozpiętość wartości ciśnienia akustycznego, parametr ten jest przedstawiany w skali logarytmicznej. Zastosowanie skali logarytmicznej wiąże się również z percepcją dźwięku, która podlega prawu Webera–Fechnera, opisującemu relację pomiędzy fizyczną miarą bodźca a reakcją zmysłów; jeśli porównywane są wielkości bodźców, to na naszą percepcję oddziałuje nie arytmetyczna różnica pomiędzy nimi, lecz stosunek porównywanych wielkości. Ta zasada, definiująca zależność wrażenia od bodźca, dotyczy również innych ludzkich zmysłów, takich jak wzrok czy węch.

Miara wyrażona w skali logarytmicznej dotyczy relacji wielkości bodźca do ustalonej wartości odniesienia, która w przypadku ciśnienia akustycznego p wynosi p₀ = 20 µPa. Poziom ciśnienia akustycznego L_(p) jest określony zależnością

.

(1.1)

Jednostką poziomu ciśnienia akustycznego jest bel, jednak w akustyce, ze względów praktycznych, za podstawową jednostkę przyjęto decybel, dB, czyli jedną dziesiątą bela (wzór (1.1)). Ciśnieniu akustycznemu 1 Pa odpowiada poziom 94 dB, taki sygnał kontrolny jest zazwyczaj generowany podczas kalibracji urządzeń pomiarowych wykonywanej przy użyciu pistonfonu (pistofonu) .

Skala logarytmiczna jest stosowana również w odniesieniu do innych wielkości akustycznych i powoduje, że przy wykonywaniu obliczeń obowiązują nieco odmienne zasady niż te, do których przywykliśmy. Poziom ciśnienia akustycznego, występujący w danym punkcie przestrzeni w wyniku jednoczesnego działania kilku różnych źródeł dźwięku, nie jest sumą algebraiczną poszczególnych poziomów. Sumowaniu podlegają wartości bezwzględne, w danym przypadku wartości ciśnienia akustycznego, a dopiero wynik tego sumowania jest przedstawiany w postaci poziomu. Sumowanie logarytmiczne n poziomów ciśnienia akustycznego, L_(p,i), jest nazywane również sumowaniem energetycznym:

(1.2)

O wyniku obliczeń decydują najwyższe wartości sumowanych poziomów, natomiast poziomy mniejsze od nich o ponad 10 dB mają niewielki wpływ na końcowy rezultat, np. suma logarytmiczna dwóch wartości 10 dB i 20 dB daje w wyniku 20,4 dB.

Średni poziom ciśnienia akustycznego, obliczony z kilku różnych punktów analizowanej przestrzeni lub określony w jednym punkcie, ale w różnych warunkach działania źródła, czy też wyznaczony z różnych okresów czasu, oblicza się stosując domyślnie zasadę uśredniania energetycznego:

(1.3)

Rysunek 1.15. Różnica wartości wskaźnika L_(DWN) i L_(Aeq,16h) w zależności od ustalonej na podstawie danych z mapy akustycznej wartości Y = L_(DWN) – L_(N), dla różnych wartości X = L_(D) – L_(W)

Poziom dzienny 8-godzinny

W przypadku terenów użytkowanych tylko w porze dziennej, takich jak szkoły, przedszkola, przychodnie zdrowia, do oceny może być stosowany wskaźnik odnoszący się tylko do pory dziennej, L_(D). Jego wartość nie jest prezentowana na mapach akustycznych, ale można ją oszacować na podstawie zawartych tam danych (patrz rysunek 1.16).

Rysunek 1.16. Różnica wartości wskaźnika L_(DWN) i L_(D) w zależności od ustalonej na podstawie danych z mapy akustycznej wartości Y = L_(DWN) – L_(N), dla różnych wartości różnicy X = L_(D) – L_(W)

Hałas lotniczy

W ocenie dokuczliwości hałasu lotniczego, oprócz poziomów równoważnych, istotne są również wartości maksymalne, występujące podczas pojedynczych operacji lotniczych, zwłaszcza w porze nocnej. Wartości te nie są zamieszczone na mapach akustycznych, jednak można je oszacować na podstawie danych odczytanych z mapy. (Zobacz również podrozdział 5.3 dotyczący wymaganej izolacyjności akustycznej ścian zewnętrznych w budynku).

Maksymalny poziom dźwięku, L_(Amax), wiąże się empiryczną zależnością z poziomem ekspozycyjnym, L_(AE), pojedynczej operacji lotniczej :

L_(AE) = 0,81L_(Amax) + 23,9 dB.

(1.34)

Zależność ta daje również dobrą zgodność estymacji z wynikami pomiarów w przypadku lotnisk wojskowych, pewne odchylenia mogą się pojawiać na terenach, gdzie występują wysokie wartości maksymalnego poziomu hałasu .

Średnia wartość ekspozycyjnego poziomu dźwięku, L_(AE), zależy od długookresowego wskaźnika L_(N) oraz liczby operacji n występujących w czasie odniesienia T, dla którego jest dokonywana ocena warunków akustycznych:

.

(1.35)

Przekształcając równania (1.34) i (1.35) oraz przyjmując charakterystyczny dla pory nocnej czas odniesienia T równy 8 godzin, uzyskamy wzór na średnią wartość maksymalnego poziomu dźwięku w zależności od długookresowego poziomu L_(N) i średniej liczby zdarzeń akustycznych występujących w ciągu nocy w danym punkcie obserwacji (nie całkowitej liczby operacji wykonywanych na lotnisku):

.

(1.36)

Poziom nocny L_(N) występujący w danej lokalizacji można odczytać z mapy hałasu, natomiast średnią liczbę zdarzeń ustalić na podstawie danych lotniska, całkowitej liczby operacji, położenia dróg i progów startowych, rozkładu lotów itp.

Korzystając ze wzoru (1.36), można też określić różnicę między długookresowym średnim poziomem maksymalnym w porze nocnej L_(Amax), a występującym w tym samym punkcie długookresowym poziomem równoważnym, L_(N), w zależności od liczby zdarzeń akustycznych n:

.

(1.37)2 Kształtowanie właściwości akustycznych budynku

2.1. Wprowadzenie do akustyki architektonicznej

Na kompleksową ocenę właściwości akustycznych budynku składa się szereg różnych parametrów reprezentujących różne specjalistyczne działy akustyki. Akustyka wnętrz zajmuje się przede wszystkim zagadnieniami dotyczącymi rozchodzenia się dźwięku w przestrzeni zamkniętej, w pomieszczeniu mającym konkretne wymiary i proporcje geometryczne, które jest ograniczone płaszczyznami o określonych właściwościach, wpływających na propagację fal dźwiękowych. Zadania z zakresu akustyki wnętrz obejmują między innymi kształtowanie odpowiednich warunków do słuchania muzyki, komunikacji werbalnej, zapewnianie zrozumiałości mowy i komunikatów podawanych za pośrednictwem instalacji nagłaśniającej wewnątrz obiektów należących do przestrzeni publicznej, ograniczanie zakłóceń spowodowanych pogłosem itp.

Z kolei akustyka budowlana obejmuje głównie problematykę związaną z przenoszeniem dźwięku między pomieszczeniami, ochroną przed hałasem zewnętrznym, izolacyjnością akustyczną przegród w budynku oraz wyrobów budowlanych stosowanych do ich wznoszenia, a także oceną tej izolacyjności w odniesieniu do obowiązujących wymagań. Zajmuje się transmisją dźwięków powietrznych i uderzeniowych, a w projektowaniu – wyznaczaniem parametrów akustycznych budynku na podstawie właściwości jego elementów składowych. Odrębnym obszarem tematycznym jest ochrona pomieszczeń przed hałasem instalacyjnym, związanym z wyposażeniem technicznym budynku, a także ochrona środowiska przed hałasem emitowanym przez te urządzenia na zewnątrz.

Zagadnienia z zakresu akustyki budowlanej dotyczą w dużym stopniu trwałej struktury budynku, jego zewnętrznej obudowy, przegród rozdzielających pomieszczenia, łączących je węzłów i innych elementów konstrukcyjnych. Jeżeli nie zostaną one rozwiązane prawidłowo na etapie projektowym, to późniejsze działania naprawcze w zrealizowanym i oddanym do użytkowania obiekcie są już bardzo trudne. Dotyczy to przede wszystkim odpowiedniej izolacyjności akustycznej przegród budowlanych, szczególnie ważnej w budownictwie mieszkaniowym. Inne problemy akustyczne, w szczególności spowodowane działaniem urządzeń stanowiących wyposażenie techniczne budynku, można w pewnym stopniu korygować także na późniejszych etapach. Jednak po wykonaniu prac wykończeniowych, zamykających i maskujących różne elementy instalacji, wskazanie źródła dźwięku, dróg transmisji oraz skutecznych metod naprawczych wymaga przeprowadzenia pracochłonnej analizy pomiarowej.

Właściwości akustyczne budynku powinny być dostosowane do jego funkcji. W budownictwie mieszkaniowym priorytetem jest odpowiednia izolacyjność przegród rozdzielających sąsiednie mieszkania, w audytoriach i klasach szkolnych – dobra zrozumiałość mowy, w dużych halach dworcowych lub obiektach sportowych – ograniczenie hałasu pogłosowego, a w salach koncertowych dobre brzmienie i zapewnienie wysokiej jakości doznań słuchowych. W różnych obiektach obowiązują więc różne priorytety, ale w każdym przypadku właściwego rozwiązania wymagają wszystkie zagadnienia akustyczne, zarówno związane z samą strukturą budynku, jak też z jego wyposażeniem technicznym. Należy je traktować w sposób spójny, ponieważ łącznie wpływają na końcowy efekt.

Analizując wpływ różnych rozwiązań materiałowych i konstrukcyjnych na parametry akustyczne budynku, należy rozróżnić ich właściwości dźwiękochłonne i dźwiękoizolacyjne. Właściwości te reprezentują różne cechy fizyczne, materiały o dobrych właściwościach dźwiękochłonnych zastosowane samodzielnie mają zwykle słabą izolacyjność akustyczną, czego przykładem jest wełna mineralna lub ustroje perforowane stosowane w akustyce wnętrz. Również odwrotnie, przegrody o dobrej izolacyjności akustycznej na ogół charakteryzują się słabymi właściwościami w zakresie pochłaniania dźwięku, tak jak masywne ściany wykonane z żelbetu lub bloczków silikatowych.

Dobre właściwości akustyczne materiałów i elementów budowlanych są często rozumiane w sposób ogólny, bez rozróżnienia cech związanych z pochłanianiem, izolacyjnością, odbijaniem lub rozpraszaniem dźwięku. Natomiast kształtując warunki akustyczne w budynku, należy świadomie stosować materiały i wyroby o cechach odpowiednich dla funkcji, jaką mają pełnić. Dobre właściwości uzyskiwane w jednym zakresie nie świadczą w żaden sposób o pozostałych.

Rozchodzenie się dźwięku w przestrzeni zamkniętej, w obrębie jednego pomieszczenia, jest uwarunkowane jego parametrami geometrycznymi, kubaturą oraz właściwościami akustycznymi zastosowanych materiałów i ustrojów. Istotne jest również wyposażenie wnętrza, wypełnienie ludźmi, rozmieszczenie płaszczyzn odbijających i elementów pochłaniających dźwięk, a z drugiej strony także charakterystyka źródła dźwięku, jego usytuowanie, kierunkowość itp. Uwarunkowania te wiążą się z funkcją pomieszczenia, są inne w przypadku niewielkich wnętrz występujących w budownictwie mieszkaniowym, inne w budynkach użyteczności publicznej, a jeszcze inne w obiektach o specjalnym przeznaczeniu jak sale koncertowe, teatralne lub kinowe.

Z kolei transmisja dźwięku między pomieszczeniami zależy od właściwości izolacyjnych przegród budowlanych oraz tworzonej przez nie struktury przestrzennej. Oprócz dźwięków powietrznych, o których była mowa w poprzednim rozdziale, uwzględnia się także dźwięki materiałowe, które powstają i rozprzestrzeniają się w konstrukcji budynku w wyniku oddziaływania na jej elementy dźwięków powietrznych lub drgań mechanicznych . Źródłem dźwięków materiałowych są najczęściej urządzenia techniczne, przekazujące drgania (energię) bezpośrednio na konstrukcję w miejscu ich posadowienia.3 Charakterystyka akustyczna elementów i wyrobów budowlanych

3.4.2.1. Charakterystyka ocieplenia typu ETICS

Pełna część ściany zewnętrznej jest w wielu budynkach wykonywana w sposób tradycyjny, z pustaków ceramicznych, betonu komórkowego lub ze zwykłego betonu. Takie rozwiązania występują zwłaszcza w budownictwie mieszkaniowym. W polskich warunkach klimatycznych w każdym z tych przypadków jest konieczne zastosowanie dodatkowego ocieplenia, które poza właściwościami termicznymi ma również wpływ na izolacyjność akustyczną ściany. Zarówno w istniejących budynkach poddawanych termomodernizacji, jak i w budynkach nowych są obecnie stosowane dość powszechnie lekkie systemy ocieplania typu ETICS.

Tego rodzaju dodatkowy ustrój, złożony ze sprężystej warstwy izolacyjnej zamocowanej bezpośrednio do ściany oraz nałożonego na nią cienkiego tynku, tworzy niekorzystny układ rezonansowy, który wywołuje spadek izolacyjności akustycznej w określonych pasmach częstotliwości. W konsekwencji następuje również obniżenie wartości jednoliczbowych wskaźników izolacyjności akustycznej właściwej w odniesieniu do samej masywnej przegrody podstawowej bez dodatkowej izolacji. Efekt ten zależy od cech konstrukcyjnych ustroju izolacyjnego oraz od właściwości samej ściany, na której został zamontowany .

Ocieplenie typu ETICS stanowi odrębny produkt budowlany, którego charakterystyka powinna być określona i podana przez producenta. Parametry samego ocieplenia ustala się na podstawie standardowych badań laboratoryjnych wykonanych na normowej ścianie masywnej. Metoda badania oraz wskaźniki przeznaczone do oceny akustycznej ustroju izolacyjnego zostały szczegółowo przedstawione w podrozdziale 2.3.

Właściwości akustyczne ocieplenia zależą głównie od jego częstotliwości rezonansowej, która jednak znajduje się w innym, znacznie mniej korzystnym położeniu niż w przypadku omawianych wcześniej okładzin ścian wewnętrznych wykonywanych z płyt gipsowo-kartonowych. W zakresie leżącym wyraźnie poniżej częstotliwości rezonansowej zastosowanie dodatkowej warstwy izolacyjnej praktycznie nie wpływa na właściwości ściany. W rejonie rezonansu występuje raptowny spadek izolacyjności, a powyżej szybki jej wzrost. Efekt ten jest widoczny na rysunku 3.12 przedstawiającym wyniki badania dwóch okładzin typu ETICS, w których warstwa izolacyjna o grubości 150 mm była wykonana kolejno ze styropianu oraz z twardej wełny mineralnej typu lamela. Oba ocieplenia badano na tej samej jednorodnej ścianie masywnej wykonanej z bloczków silikatowych. Oba rozwiązania należą do tego samego systemu i w obu przypadkach zastosowano taki sam cienki tynk. Zróżnicowane położenie częstotliwości rezonansowej jest spowodowane różną sztywnością dynamiczną zastosowanych materiałów izolacyjnych.

Rysunek 3.12. Izolacyjność akustyczna ściany z bloczków silikatowych o grubości 240 mm: a) bez ocieplenia, b) ocieplenie z wełny mineralnej 150 mm, c) ocieplenie ze styropianu 150 mm

W obu badanych przypadkach jednoliczbowy wskaźnik poprawy izolacyjności akustycznej właściwej ∆(R_(w) + C_(tr) )_(heavy) przyjmuje wartości ujemne. W wyniku zastosowania ocieplenia nastąpiło więc wyraźne pogorszenie izolacyjności ściany (tabela 3.2).

Tabela 3.2. Wskaźniki poprawy izolacyjności akustycznej ściany z bloczków silikatowych z ociepleniem, wyniki badań wg rysunku 3.12

+-----------------+-------------+-----------------+----------------------+----------------------------+
| Izolacja | f₀ | ∆R_(w)_(,heavy) | ∆(R_(w) + C)_(heavy) | ∆(R_(w) + C _(tr))_(heavy) |
| | | | | |
| | | | | |
+-----------------+-------------+-----------------+----------------------+----------------------------+
| Wełna mineralna | 125–160 | 0 | −1 | −3 |
+-----------------+-------------+-----------------+----------------------+----------------------------+
| Styropian | 315 | −4 | −5 | −6 |
+-----------------+-------------+-----------------+----------------------+----------------------------+